【正文】 7N s V V V V s V??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 風(fēng)力發(fā)電機(jī)各組成部分簡介 發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 現(xiàn)今，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量越來越大。風(fēng)吹到葉片上所作的功是將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動的機(jī)械能，則必須 2 1 1 2,V V S S??如 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 7 圖 貝茨理論計(jì)算簡圖 于是 1 1 2 2S V S V SV??，風(fēng)作用在葉片上的力由歐拉定理求得 ? ?21F s v v???? 式中 ? 為空氣密度 風(fēng)輪接受的功率為 ? ?2 21N Fv s v v??? ? ? 風(fēng)經(jīng)過葉片的動能變化 ? ?221212T s V V??? ? ? NT?? 122VVv ?? 因此，風(fēng)作用在風(fēng)輪葉片上的力 F 和風(fēng)輪輸出功率 N 分別為 ? ?221212F s V V??? ? ?? ?221 2 1 214N s V V V V?? ? ? 風(fēng)速 1V 是給定的， N 的大小取決于 2V ， N 是 2V 的函數(shù)，對 N 微分求最大值，得 ? ?221 1 2 22 1 234dN s V V V VdV ?? ? ? 令其等于 0，解方程得 322 1 m a x 1 11 8 1 1 6,3 2 7 2 2 7V V N sV sV??? ? ? ? 令 16 ? 為 PC ，有 3m a x 112 PPN C sV C T??? PC = 說明風(fēng)吹在葉片上，葉片上所獲得的最大功率為風(fēng)吹過 掃掠面積的風(fēng)能的 59． 3％?？諝饬魇沁B續(xù)的，不可壓縮的，葉片掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向不論在葉片前 或流經(jīng)葉片 后都是垂直葉片掃掠面的。此外，為了確定速度場，可將個葉片的作用用以邊界渦代替。當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時，通過每個葉片尖部的氣流的跡線為一螺旋線，兇此，每個葉片的尾變渦形成一螺旋形。設(shè)計(jì)了剎車系統(tǒng)的控制系統(tǒng)圖，并對控制過程進(jìn)行了復(fù)分析。并根據(jù)其要求給出了傳感器、電磁閥等部件的選擇。 (3)簡要介紹了汽車的 ABS 系統(tǒng)，提出了將其應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)剎車系統(tǒng)的設(shè)想，并對 ABS 應(yīng)用于剎車系統(tǒng)進(jìn)行了研究。 主要研究內(nèi)容： (1)根據(jù)空氣動力學(xué)，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)剎車部分的建模進(jìn)行了初步 探討。剎車時齒輪箱經(jīng)常受到較大的沖擊而引起破壞，縮短了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用周期。由于風(fēng)速的不定性而引起風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)常性的剎車，因此本文對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的剎車系統(tǒng)進(jìn)行了一定的研究。所以對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的 研究不能只是局限于電氣部分，應(yīng)該對機(jī)械部分也進(jìn)行相應(yīng)的研究。 研究內(nèi)容 現(xiàn)今對風(fēng)力發(fā)電的研究基本上都是對電氣部分的研究，對機(jī)械部分的相關(guān)研 究很少。根據(jù)不同的工作要求，剎車裝置分別處于開與關(guān)的狀態(tài)。剎車系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)上一個很重要的系統(tǒng)，所以剎車系統(tǒng)需要具有很高的安全性和可靠性。由于所受工況瞬態(tài)多變且工作環(huán)境惡劣 ,所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一個復(fù)雜、多變量、非線性的不確定系統(tǒng) 。目前 ,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究難點(diǎn)是風(fēng)電機(jī)組大功率、高可靠性、高效率、低成本。因此 ,深入研究風(fēng)力發(fā)電 機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)對于持久開發(fā)風(fēng)能和實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組國產(chǎn)化具有重要理論意義和工程應(yīng)用價值。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展 概述 在目前技術(shù)條件下風(fēng)電與火電、水電相比從造價、電能質(zhì)量、設(shè)備制造和控制技術(shù)等領(lǐng)域存在劣勢 ,我國風(fēng)電領(lǐng)域的理論和應(yīng)用研究與發(fā)達(dá)國家存在很大差距。而與快速發(fā)展的光伏產(chǎn)品市場形成鮮明對比的是，中國光伏發(fā)電產(chǎn)品的市場應(yīng)用還很少，國 內(nèi)仍處于“有產(chǎn)業(yè)、無市場”的局面。同期，累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá) 萬千瓦，全球排名升至第二位。在中國風(fēng)能協(xié)會發(fā)布的《 2021 年中國風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)》 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 4 報告中顯示， 2021 年中國新增 安裝風(fēng)電機(jī)組 12904 臺，裝機(jī)容量 18927 .99 兆瓦，年同比增長 37 .1%，已超過美國排名全球第一。美國 7MW 風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)研制成功，正在研制 10MW 機(jī)組；英國10MW機(jī)組也正在進(jìn)行設(shè)計(jì)，挪威正在研制 14MW的機(jī)組，歐盟正在考慮研制20MW 的風(fēng)電機(jī)組，全球各主要風(fēng)電機(jī)組制造廠家都在為未來更大規(guī)模的海上風(fēng)電場建設(shè)做前期開發(fā)。 2021 年全世界兆瓦級的風(fēng)電機(jī)組當(dāng)年裝機(jī)容量占到了總裝機(jī)容量的 %，單機(jī)容量逐步增大已成為國際風(fēng)電市場發(fā)展的必然趨勢。丹麥 BTM咨詢公司預(yù)測：到 2021 年，全球海上風(fēng)電場累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到 1849 萬 kW 到2425 萬 kW 之間。預(yù)計(jì)在 2021 年以后，英國、丹麥、瑞典和德國將把風(fēng)力發(fā)電發(fā)展重點(diǎn)移師海上。這些海上風(fēng)電場 60％都在淺海區(qū)。到 2021 年底，已有 834 臺共 211 萬 kW 的風(fēng)電機(jī)組在海上風(fēng)電場投入運(yùn)行，約占全球累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量的 %. 2021年新增海上風(fēng)電場 9個，新增海上裝機(jī)容量 萬 kW，新增海上風(fēng)電機(jī)組 224 臺，最小單機(jī)功率為 2MW，最大裝機(jī)功率 5MW。有人把風(fēng)電的發(fā)展規(guī)劃為 3 步曲，陸上風(fēng)電技術(shù)（當(dāng)前技術(shù)）一近海風(fēng)電技術(shù)（正研發(fā)技術(shù)）一海上風(fēng) 電技術(shù)（未來發(fā)展方向）。海上風(fēng)力資源條件優(yōu)于陸地，陸地適于安裝風(fēng)電機(jī)組的場址有限，以及在陸地安裝風(fēng)電機(jī)組對景觀造成影響，產(chǎn)生的噪音可能影響周圍的居民。風(fēng)電在未來 20 年內(nèi)將是世界上發(fā)展最快的 能源。歐洲之外，發(fā)展風(fēng)電的主要國家有美國、中國、印度、加拿大和日本。目前，德國、西班牙和意大利三國的風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量約占到歐洲總量的 65。在累計(jì)裝機(jī)容量上，歐洲仍然是風(fēng)力發(fā)電市場的領(lǐng)導(dǎo)者，截至 2021 年底，其累積裝機(jī)總?cè)萘繛? 萬 kW，占全世界風(fēng)電總裝機(jī)的 %，提前超額完成了到 2021 年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá) 到 4000 萬 kW 的目標(biāo)。根據(jù)丹麥 BTM 咨詢公司報告，2021 年全球有超過 萬 kW 的新增裝機(jī)容量并入電網(wǎng)，營業(yè)總額達(dá)到 500億歐元。 風(fēng)力發(fā)電行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 世界風(fēng)力發(fā)電行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 在過去的 5 年間，風(fēng)電發(fā)展不斷超越其預(yù)期的發(fā)展速度，而且一直保持著世界增長最快能源的地位。 (6)通過風(fēng)電場開發(fā)建設(shè)的實(shí)物教育，可增強(qiáng)公眾開發(fā)自然資源、保護(hù)環(huán)境的意識。特別是 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 2 對缺少淡水資 源的沿海及干旱地區(qū)更重要。而海上油田的開采往往給海洋生態(tài)帶來不可恢復(fù)的破壞。 (2)減少因開發(fā)一次能源如煤、石油、天然氣 ，所造成的環(huán)崐問題。每發(fā) 1 萬 kwh 的電，消耗約4 噸標(biāo)準(zhǔn)煤；向大氣排放粉塵約 噸； CO2 約 10 噸； NOx 約 噸； SOx 約。其對環(huán)境的明顯正面影響為： (1)減少向大氣排放粉塵， CO NOx、 SOx。 由于風(fēng)能是一種不消耗礦物燃料的可再能源。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 1 第一章 緒論 引言 風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。其蘊(yùn)量巨大，全球的風(fēng)能約為 109MW，其中可利用的風(fēng)能為 2 107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大 10 倍。風(fēng)電的使用，相當(dāng)于節(jié)省相同數(shù)量電能所需的礦物燃料。我們以煤電為例，根據(jù)我國當(dāng)前最普遍使用的 30 萬千瓦蒸汽輪發(fā)電機(jī)組現(xiàn)狀。到 2021 年若風(fēng)電的發(fā)電量占全國所需電量的 5％，即約 4000 億 kwh，風(fēng)電的裝機(jī)容量約為 億千瓦 (風(fēng)電的容量系數(shù)小 ，相當(dāng)于煤電的裝機(jī)容量 億千瓦 )，則每年可節(jié)省約 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，可減少向大氣排放粉塵約 2021 萬噸；CO2 約 4 億噸； NOx 約 200 萬噸； SOx 約 320 萬噸。一次能源的開采除了在砂漠地區(qū)外，通常要?dú)纳郑继锖驮械母鞣N植被。 (3) (4)風(fēng)力發(fā)電場比燃煤電廠可節(jié)省大量淡水資源，減少水環(huán)境污染。 (5)旅游區(qū)風(fēng)力機(jī)群也是一道風(fēng)景線，可在一定程度上反映經(jīng)濟(jì)、文化、環(huán)境相融洽的程度，為我國旅游業(yè)添加新活力。 (7)促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電及相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈條發(fā)展，如：風(fēng)電設(shè)備制造、運(yùn)輸安裝等。 2021 年以來，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量年平均增長 率為 %，新增裝機(jī)容量年平均增長率為 。截至 2021 年底，全世界風(fēng)電累積裝機(jī)總?cè)萘考s為 億 kW，同比上年增長 31%.目前，風(fēng)電的年發(fā)電量約 3400億 kWh，風(fēng)力發(fā)電量已經(jīng)占到世界總發(fā)電量的 2% 以上。但是，在 2021 年新增裝機(jī)容量方面，歐洲只占 %，北美洲達(dá)到 %，亞洲達(dá)到 30%0，歐洲已經(jīng)失去其領(lǐng)先的地位了，中國和美國成了推動全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的火車頭。近年來，在歐洲大力發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的國家還有法國、英國、葡萄牙、丹麥、荷蘭、奧地利、瑞典、愛爾蘭。迄今為止，世界上已有 82 個國家在積極開發(fā)和應(yīng)用風(fēng)能資源。 根據(jù)丹麥 RISy 國家研究實(shí)驗(yàn)室對安裝在丹麥的風(fēng)電機(jī)組所進(jìn)行的評估，從 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 3 19812021 年間，風(fēng)電成本由 歐分／ kWh 下降到 歐分／ kWh，預(yù)計(jì)2021 年度電成本下降至 3 歐分／ kWh, 2020 年降低至 歐分／ kWh。將風(fēng)電場從陸地向近海發(fā)展在歐洲已經(jīng)成為一種新的趨勢。目前近海風(fēng)電場的開發(fā)主要在歐洲的丹麥、英國、荷蘭、瑞典、德國等國家。其中：英國新建 3 個海上風(fēng)電場（ 萬 kW)、丹麥一個( 萬 kW)德國一個 (6 萬 kW)。近海風(fēng)電場市場廣闊，成為歐洲發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的新動力 。歐洲風(fēng)能協(xié)會預(yù)測歐洲近海風(fēng)電裝機(jī)容 2021 年達(dá)到 1000 萬 kW,2020 年可達(dá)到 7000 萬 kW。 當(dāng)前國外風(fēng)電市場上的主力機(jī)型是 , 2021 年全世界新裝機(jī)組的單機(jī)平均功率為 兆瓦。隨著海上 風(fēng)電的迅速發(fā)展，單機(jī)容量為 3 ti 6MW 的風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)開始進(jìn)行商業(yè)化運(yùn)行。 中國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 自 1986年建設(shè)山東榮成第一個示范風(fēng)電場至今，經(jīng)過近 23年的努力，風(fēng)電場裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大。累計(jì)安裝風(fēng)電機(jī)組 34485臺，裝機(jī)容量 兆瓦，年同比增長 %。 1 月 27 日由中國工業(yè)節(jié)能與清潔生產(chǎn)協(xié)會公布的《 2021 中國節(jié)能減排產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》顯示， 2021 年，中國風(fēng)力發(fā)電新開工重大施工項(xiàng)目 378 個，項(xiàng)目總投資額高達(dá)近 3000 億元。 報告顯示，中國風(fēng)能資源可開發(fā)量約為 712 億千瓦；從中國風(fēng)能資源看風(fēng)電完全可能成為火電、水電之后的第三大電源。國內(nèi)對風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的研究十分薄弱 ,風(fēng)電機(jī)組的大型化、變槳距控制、變速恒頻等先進(jìn)風(fēng)電技術(shù)還遠(yuǎn)未解決 ,致使我國大型風(fēng)力機(jī)幾乎全部為進(jìn)口產(chǎn)品。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是涉及空氣動力學(xué)、自動控制、機(jī)械傳動、電機(jī)學(xué)等多學(xué)科的綜合性高技術(shù)系統(tǒng)工程。為攻克這些難點(diǎn) ,國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)是系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和先進(jìn)控制策略。 風(fēng)力發(fā)電剎車系統(tǒng)的發(fā)展 風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般位于較偏遠(yuǎn)、環(huán)境較惡劣區(qū)域，這就要求我們在控制上達(dá) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 5 到無人值守及 遠(yuǎn)程監(jiān)控。因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電存在風(fēng)速不穩(wěn)、風(fēng)機(jī)故障及電網(wǎng)異常等一系列問題，在這一過程中就需要剎車系統(tǒng)發(fā)揮其重要作用。 當(dāng)前的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)多采用盤式液壓驅(qū)動式機(jī)械剎車，且采用兩級剎車系統(tǒng)，剎車盤安裝在高速軸上。風(fēng)力發(fā)電機(jī)是典型的機(jī)電一體化設(shè)備，機(jī)械部分又是風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作的主體。這樣才能使風(fēng)力發(fā)電技術(shù)均衡的發(fā)展。 針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中，由于風(fēng)速不穩(wěn)、風(fēng)機(jī)故障及電網(wǎng)異常等問題需要剎車系統(tǒng)。針對這一問題，提出把汽車中運(yùn)用較成熟的防抱死制動系統(tǒng)（ ABS）應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電機(jī)剎車系統(tǒng)的設(shè)想。 (2)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)剎車時的受力進(jìn)行了分析。 (4)根據(jù)剎車時的特點(diǎn)，對應(yīng)用 ABs 之后的剎車系統(tǒng)的控制進(jìn)行了研究。對風(fēng)力發(fā)電機(jī)剎車裝置的液壓系統(tǒng)就行了設(shè)計(jì)分析，對主要液壓元件就行了設(shè)計(jì)、選型。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 6 第二章 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)簡介 基本理論 葛勞渥 (G1auert)理論 對于 有限長的葉片，風(fēng)輪葉片下游存在著尾跡渦，它形成兩個主要的渦區(qū)：一個在輪轂附近，一個在葉尖。在輪轂附近也存在同樣的情況，每個葉片都對輪轂渦流產(chǎn)生一定的作用。 貝茨理論 貝茨理論是在假定風(fēng)輪是“理想”的基礎(chǔ)上建立的，這種，理想”的風(fēng)輪 全部接收風(fēng)能，葉片無限多，對空氣流沒有阻力。 設(shè)風(fēng)輪前方的風(fēng)速為 1V ， V為實(shí)際通過風(fēng)輪的風(fēng)速， 2V 為葉片掃掠后的風(fēng)速，通過風(fēng)輪葉片前的風(fēng)速面積為 1S ，葉片掃掠后的風(fēng)速面積為 2S 。貝茨理論說明，理想風(fēng)能對風(fēng)輪葉片做功的最高效率為 59 3％，其損失的功率為留在尾流中的旋轉(zhuǎn)動能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)所用的發(fā)電機(jī)一般采用異步發(fā)電機(jī)，對 于定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，一般還采用單繞組雙速異步發(fā)電機(jī)，這一方案不僅解決了低功率時發(fā)電機(jī)的效率